CN1064908C - 行驶计划产生方法和系统及资源调度方法 - Google Patents

Abstract

一种对通过多路径系统的众多物体的行驶进行调度的系统和方法，被描述为一种货运铁路调度系统。可实现的行驶计划可用于协助或自动地控制火车通过系统的行驶。

Description

行驶计划产生方法和系统及资源调度方法

本发明涉及对通过复杂的行驶管理系统的众多单元的行驶的调度，及在所公开的实施例中涉及铁路系统中对货车的调度。

目前货运铁路包括三个基本部分：(1)一套铁路基本设施，包括铁轨、道岔、通信系统和控制系统；(2)运输车辆，包括机车和车辆；以及(3)操作和维护铁路的人员或机务员。通常一个高级调度系统使用这三个部分的每个部分以将人员、机车和车辆调配至铁轨不同路段并允许它们在避免冲撞的条件下在铁轨上行驶，从而允许铁路系统将货物分送至不同目的地。现有系统的基本限制是对大车行驶缺乏实际控制。

现有运行系统中调度员的工作通常是在铁轨上重复地每隔一段设置信号以间接地对火车进行总体控制，而由操作火车的工程师对火车进行实际控制。由于遵循调度在很大程度上是工程师们的权力，因此难于维持很准确的调度表。其结果是，目前估计美国的机车平均利用率小于50％。如能更好地利用这些投资财富，则铁路系统的总投资效益将会相应地增加。

以前火车调度不能十分准确的另一个原因是当试图安排调度表时难于考虑到影响火车行驶的所有因素。这些困难包含为在调度表中决定功率和重量的物理限制、速度限制、信号系统的限制和火车安全运行实践的限制(包括那些为避免火车结构不稳定因而出轨所施加动力和刹车的实践)的影响时所遇到的复杂性。

准确调度能带来两个明显优点：(1)准确调度能更好地利用资源并相应地增加总吞吐量(火车最佳地隔开及最佳地合并在一起以形成差不多连续的车流)，以及，(2)在很小偏差范围内预测火车到达目的地的时间。

铁路工业中的到达时间通常被看作“服务可靠性”，并且它本身具有双重意义：(1)它向顾客保证并提供他的货物能准时地抵达它的目的地的时间；以及(2)对于火车行驶的中途站而言，它允许这些终点资源能更有效地安排计划。

例如，如行车终点是调车场，同时车场主人预先知道火车到达的顺序和时间，则他可布置车场以接纳这些火车并安排合适的岔道以合理的方式容纳这些火车和车辆段(或车辆组)。相反地，无调度的或松散调度的系统会使火车毫无秩序地到达调车场，车场主人无法为最佳地将车辆编组以备下次自该调车场发出下一列车而配备岔道、车次和设备。

类似地，如终点是一个使用卸车设备的港口，则需为货物安排一套资源以便将货物从火车卸下并转运至船上，为有效地使用转运站的设备和设施，对到达时间和到达顺序的了解是极端重要的。

为了完全了解本发明，了解一下现有技术中妨碍运输系统，尤其是铁路系统发挥效用的一些因素是有帮助的。现今，货物自一个转运站运往另一个转运站的火车在许多转运站之间运行。火车可能拖着空车回至转运站以重新装货，也可能装载设备和人员以便沿铁路线完成锥修任务。通常货运与客运共用铁轨。

当代铁路中货运服务通常有正常调度的火车运行于不同转运站之间。然而一个车次的组合与另一个车次往往差别很大。此外，由于顾客对不同转运站之间货运要求和所用设备通常变化很大，因此货车的长度、重量和运行特性会变化很大。货车也可专门安排运行以满足火车顾客对货运的不同需求。因此每天的调度表都有显著变化，而运行于特定火车系统上的货车组合也同样变化。

为满足铁路货运的差别很大的需求，铁路系统通常具有固定数量的资源。例如，任何具体铁路系统通常具有一个轨道信号网，有限数量的机车，有限数量的机务员，及铁路系统中其它类似限制，这些可用以满足顾客的不同需求。

铁路货运系统在满足顾客需求方面的困难由于许多铁路系统中许多长段路基上只铺设一根主轨而加重。因为铁路系统通常必须沿这类单轨段使火车双向运行，铁路系统必须设法避免将两辆火车调度成于同一时间内占用同一轨道，并且必须具备系统和手段以识别这种冲撞可能及采取某些措施以避免冲撞。

类似地，当火车沿单轨行驶时，速度较快的火车可能从后面追上在相同方向内行驶的速度较慢的火车。通常铁路系统必须既试图将火车调度以使较快火车能超过较慢火车，同时又在火车运行中识别一列火车尾追另一列火车而冲撞其尾部的任何情况。

铁路系统对于两列火车迎面会车或超车的情况通常使用较短轨段或“岔道”解决，当一列火车通过时另一列火车被分岔离开主轨。当那列火车安全地通过主轨后，被分岔的火车被引入主轨继续行驶。在铁路工业中这种情况称为“会车通过”情况。显然，这类通过操作会显著地降低任何火车按特定调度表运行的能力。

参照图1，一个用于管理会车通过情况的通用系统可包括一条主机10，一条岔道20，该岔道由道岔22选择性地使用。道岔可手动操作，也可通过每一轨道段的通常称为小屋24的中央控制站进行远距操作。小屋24可自用于标志轨道段上有无火车的轨传感器26接收信号。铁路系统还可包括模拟平面28，这是照明灯光系统，用于向火车上的工程师标示火车前面的铁轨段和其后区段是否没有车辆。在现代铁路系统中模拟平面28的运行基本上由轨传感器26和小屋24中合适的电子控制逻辑电路所控制。

通常火车检测传感器26沿轨道长度方向作用的距离可短至半英里，也可超过两英里。轨道在纵向上的相邻段被隔开短小距离，如四分之一英寸数量级，位于段之间的间隙内的电绝缘器将不同段隔离开。如此一来，轨道的每一段在电气上与纵向上相邻段互相绝缘。

在轨道的两条铁轨之间施加了电压差，因此当火车出现时，火车的金属轮和轴作为一个导体在电气上将轨道的一条铁轨与另一铁轨连接起来或短路，这一电气状况可由轨传感器26所检测并向小屋24标示。

在现有系统中，在控制例如道岔之间的轨传感器26的信号通常在送给小屋24的信号中一起进行“异”运算。因此小屋24能确定控制站之间的一组轨道是否被占用，但可能无法确定该轨道组内哪一个段有火车。

小屋24可利用绳线32将自不同传感器送来的有关不同情况的信息送至中央调度室30。如上所描述，只要工程师遵照模拟平面28的灯光信号，现有系统就能在火车间进行正确的间隔。

在诸如图1所示现有电路系统中已知的困难是对沿轨道的火车位置缺乏确切信息。例如，在会车通过情况下，其中有一列火车必须分岔到例如岔道20上。必须提前足够时间将火车分岔到岔道20上以便在另一列火车通过前被分岔到岔道的火车有足够长的时间提前驶入岔道，从而允许具备一个安全储备。该安全储备必然涉及对会车的两列火车位置的了解的精确性。例如，如已知时速为每时30英里的火车位于其长度为20英里的轨道组内，则必须至少提前三分之二小时将迎面来的火车引入岔道以等待另一列火车通过。

为改善此种情况，设计了一种称为先进火车控制系统(ATCS)的现有技术系统，它包括应答机、机车询问器和无线电通信。在ATCS系统中，应答机放置于沿轨道诸如道岔那样的控制站之间处和控制站以外不同处的轨道的两条铁轨之间或靠近铁轨处。机车内的询问器发射一个可由应答器检测的信号，从而激励应答器。每个应答器包含一个独特的标志，当机车与应答器接近时该标志即被发射回机车。该标志信息接着被送至位于机车上的计算机并通过通信系统34重新发射至中央调度室30。随着机车顺序通过应答器，机车上计算机能使用来自其计程仪的信号以计算机车的近似位置。

注意到在这类系统中计程仪误差造成沿轨道的火车位置的不确定性，当火车自一个应答器驶向另一个应答器时该不确定性增加，而当火车驶经下一个应答器时它基本上为零。将应答器放置得彼此足够靠近，可将火车位置信息的正确度保持在限度之内。当然，由于应答器在恶劣环境中是比较娇气的电子元件，所以将应答器布满整个铁路系统会显著地增加维护费用。此外，如有一个应答器坏了，则计程仪误差仍会继续对火车位置的数据造成附加的不确定性。

一个(a)其中火车位置不能确切地知道和(b)其中工程师主要按照他们自己的意愿进行操作的铁路系统中的会车通过系统可由“弦线”图表性地显示，该弦线图通常由现有铁路系统使用于调度和调查执行过的调度效率。

参照图2，弦线图沿一个轴绘制时间，而沿另一轴绘制轨道英里数或转运站名。例如，图2的网格自第一天早晨5时一直延伸至第二天上午11时，用于描绘沿着一条连接Alpha与Rome和其它15个位于其间的控制站的轨道的行车。在由时间和英里形成的网格内绘制了火车的行驶。当火车在一个方向内行驶时，例如自Rome驶向Alpha时，火车弦线表现为右对角线。

在相反方向行驶，即自Alpha驶向Rome的火车在弦线上表现为左对角线。当一列火车必须靠边以等待另一列火车通过时，弦线成为水平线，随着时间过去而靠边火车不行驶。例如，火车11在Bravo处靠边几乎2小时以等待火车99和火车B2通过。类似地火车88两次靠边，一次在Bravo等待火车F6通过，而第二次在Echo等待火车G7通过。

如自图2弦线图中可看出的，一列火车可花费相当长时间靠边(例如，火车88在5小时旅程中差不多用了2小时靠边)。

如能更精确地确定沿轨道的火车位置，则可显著地减少火车长期靠边以等待会车的火车所需时间。例如，参照图2，在火车G7通过之前，火车88在Echo处靠边多等了1小时。如能更精确地知道火车位置，则火车88就可以继续在轨道上行驶，直至在Hotel处才简单地靠边以等待火车G7通过，这样减少靠边时间等同于减少任何具体旅行所需总时间，因而使铁路系统具有更大吞吐量并减少例如发动机闲置，机务员和其它与时间有关的因素的费用。

在今日铁路系统中，当火车在转运站之间行进时，很少能对火车的行进实行有效控制。通常工程师只被授权行驶至下一个控制站，而工程师使用其判断力、经验和其它主观因素以便使火车行驶至其授权的终点。这类火车所用总调度表通常不考虑火车可能靠边一段时间这一事实，也即未将会车通过包括入总调度表中。

现有技术的火车系统通常并不明显地对会车通过做计划，而是在特定基础上管理会车通过情况，当出现此情况时，调度员运用其技巧以识别可能的会车通过情况，判断应用何岔道以允许火车通过及设置合适的道岔和信号以实现其分析。因为上面已提到调度员的火车位置数据不特别确切，所以调度员可能保守地和过早地使一列火车靠边，为让另一列火车通过不必要地等待过长时间。

此外，调度员通常只控制一部分铁路系统和他所作使哪个火车靠边和使用哪个岔道的决定可能对正在处理的单次会车是正确的。然而，当现在被延迟的火车在它随后运行中在其他调度员控制下相遇其它火车时，此“正确”决定可能会造成严重问题。

一般而言，由于对火车沿轨道位置的了解的不确定性和由于工程师作出相当多的判断以确定他们的火车沿轨道行驶的速度，所以现有技术的整个铁路系统都是使用不足的。由于不同火车的性能有很大差异，不论具体的火车系统调度得如何成功，该调度表无法在当前系统中实现。

现有技术中的调度系统通常试图根据火车系统操作方式对火车进行调度。因此，除少数例外，只在“总体”数据基础上确定调度表，既不考虑被调度火车的具体特性，又不考虑在其上进行调度的轨道特性的细节。

由于系统调度员通常只提供一个“近似的”用于指导火车调度员的调度计划，现有技术的调度系统通常并不标志轨道使用中的冲突，而将这类冲突留给地区调度员在他们调度火车运行时加以解决。

希望一个调度表应该涉及火车行驶所需全部单元或资源，这些资源包括人员的调派，机车和车辆的调拨，以至路径的确定，哪条岔道用于哪列火车的决定还有火车的精确编组以使主线在恰当的驾驶速度下能充分发挥其能力。

然而现有技术中这类调度表带来不少困难。这些困难分成几类：(1)为非常精确地调度所有这些资源需要巨大的计算量；(2)无法预测火车及其行驶的实际动力学，而这是使一列火车安全地在给定轨道段上行驶所需要的信息；以及(3)由于没有可用的命令发给火车上的机务员或直接发给机车子系统以使它遵循任何已建立的精确调度表，因此实际上无法实施精确调度表。现有系统中火车的行驶通常在驾驶火车的工程师权力范围之内及受限于信号系统，此信号系统部分地由调度员控制和部分地决定于其它火车对轨道的占用。

以前尝试完成广泛的系统优化功能以得到很详细的调度表。这种尝试并不成功，其部分原因是为完成许多变量分析需要无法实现的大量计算。事实上，当考虑问题的规模时，可能的解决方法的排列数量达到非常大的数。因此在现实中不可能使用耗尽人们精力的搜索算法去寻找最佳解决办法，而通常在这种性质的问题中统计搜索算法并不有效。

在提供精确控制系统中第一步工作是使用一个能调度铁路系统所有方面的优化调度系统，它考虑物理定律、铁路规章、人员工作规则、与不同顾客们签定的合同的具体合同项及任何限制可能的解决方法或调度表的边界或约束条件。这些边界条件可包括下列事物，如非本征行车(在美国这最通常是客运)、一些设施的运行时数、轨道维护、工作规则等。

如由一个恰当的优化调度系统对所有这些边界条件加上一个性能系数进行操作，则其结果会使某些性能系统最优。最常用的性能系数是系统总费用，此种情况下最优解决方案是最小费用方案。

由于这种系统的约束条件是变动的(即每天都不同)，本发明可配置以便于使用新边界条件或约束条件，或新合同项。例如，如刚签了一个合同，其中对延迟交货有一定数量的罚款条例，则优化调度计划应考虑此罚款条例并只当在不同可用调度选项中这一项成为费用较小选项时才允许承担罚款。

在确定调度表时，本发明确定一个以可实现的和有效的方式执行调度表的行车计划。作为下一步，本发明在调度表中加入为实际地控制火车行驶所需非常精细结构。此精细结构可包括按名字调派人员和按编号调拨具体机车，并可包括确定火车在铁路网上行驶的精确时间或距离与时间的关系。此火车的精确行驶表可包括所有火车控制细节，功率级别，弯路曲率，坡度，风和气候条件以使火车能实际地遵循行驶计划细节。

最后，本发明向将利用行驶计划以操作和维护火车系统的人员或设备提供行驶计划。在一个实施例中，可向调度人员提供行驶计划以用作他们手动调度火车和控制轨道力时的指导。在另一实施例中，可向机车提供行驶计划以便由工程师或机车上的可切换传动器自动地加以实施。

虽然这具体地使用于货运铁路系统中，但应注意本发明的系统和方法也可应用于铁路网以外的场合。所公开的系统和方法可看作为一种运输系统，其中所有变量是同时求解而非顺序地求解。只有这类同时求解法才有可能达到准优化性。

另一个影响铁路系统的总效率，尤其是铁路系统的容量的因素是火车间的最小间距和火车的相对速度。在现有技术中提出了移动块操作的概念，一个移动块包括一个保护带或禁止区，它包括该列火车和在每列火车之前与该火车刹车距离大致相关连的一段距离。此概念消除了与现有固定块信号系统相关连的固定间距。

然而，由于火车的刹车距离是下列许多因素的函数，包括火车质量、火车速度、坡度、火车的刹车性能和环境条件，因此移动块复杂得难以实现。在完成包括火车行驶动力学的估算和分析的计划中有一个优点，即其自然的副产品是能算出具体火车的刹车距离。使用此精确火车控制允许对移动块保护带进行计算并使火车在它们刹车距离允许的情况下尽量间隔得近些。其最终结果是显著地提高了给定铁路走廊的总吞吐能力。

此处公开的火车行驶计划系统在本质上是有层次的，其中为初始的优化过程将问题抽象为较高层次，结果的粗糙解法映射为较低抽象层次，以供进一步优化之用。此层次过程意味着在搜索解法中加入了附加细节时进行搜索的求解空间总是减小。此外，在所有这些层次上都使用统计学处理以将总计算负担减至最小并使总过程的计算量可以实现。

一个专家系统用作这些过程的管理者，同时该专家系统也是一个工具，用以为解法集建立边界条件和约束条件。作为例子，在预定时间内通过网络的客车的行驶可置为求解空间上的一个边界条件，而其它火车则围绕此边界条件以最优方式行驶着。作为另一例子，对于在特定时间内在特定铁路段上完成的工作的调度可置为一个边界条件，而其它火车可围绕此约束条件以最优方式行驶。

在此范围内使用专家系统允许用户提供将要放入求解过程的规则。因此，只需简单地编写或改变一套规则即可将自工作规则的变动至合同变动的每项变动包括进来。

在某些情况下希望优化过程将正常情况下被固定约束条件排除的活动也包括进来加以调度。例如，铁路维护活动可考虑为预调度的约束条件，可围绕它实行火车调度。另一方面，可将下列约束条件放入规则数据库内：在轨道的给定段上必须完成一定小时的维护活动及夜间每小时操作费用高于白天。在这些条件下调度员可能将这些活动与火车行驶协同调度以使操作总费用最小。

使用精确调度的一个重要方面是在出现例外时有能力进行处理。很早就安排好的固定调度计划最常碰的问题是出现异常情况而使网络中的单元脱离调度，而这些脱离调度的单元又会波及系统促使其它单元脱离调度。例如，一个车次中一列火车的迟到会使机车无法供第二个计划车次使用，而第二个车次的延迟又将使机车无法供第三个车次使用。因此产生了公共的波及效应。

本发明所提供的具有精细控制的被全局调度的系统的一个关键点在于出现异常事件时它对这些事件连续地监测同时重新调度以补偿这些异常事件的出现。

在处理例外时首先将异常事件报告给一个处理例外逻辑单元，后者确定可在哪一个层次解决此异常事件。例如，当给定的火车偏离其计划的量超过预定容差时被认为是异常事件，这可由对邻近火车作小变动而简单地改正过来。另一方面，诸如出轨那样的较大规模的异常事件会堵塞轨道，这需要大规模的重新调度，包括使用后备路径。这种大规模重新调度被提到一个全局或系统范围计划层次上以便围绕该重大异常事件将计划重新优化。

此种重新调度活动有一个时间方面，即为了安全原因必须对报告上来的异常事件立即作出反应，接着必须为它进行短期优化，然后可能为它进行全局重新调度。因此，该异常事件解决过程或例外处理过程可在层次计划系统的不同层次上按时间顺序进行，直至完全解决此异常事件时止。

在现有情况下，现有系统中一个异常事件的最通常后果是否定掉预定调度计划的大部分。一般而言，在铁路货运业务中对调度计划的重大干扰至少24小时才能恢复。不幸的是异常事件频繁出现，它们之中有的小如一套三机车组合中坏了一台机车因而使火车只有所调度功率的三分之二。或者异常事件只简单为工程师未曾试图或无能力执行调度计划。不管原因如何，它们频繁出现，而其后果为大部分铁路货运无法与预定调度计划保持任何形式的密切配合。调度上的质量通常如此之差以致需要更换机务员以免由于机务员工作超过最大允许工作时间而造成调度外停车。

在优化过程中重要的是了解需要实际地实现最小运行费用的全部范围。最多时候优化计划基于优先级概念，其中有些操作单元(一定的火车或一定类型的船舶)被认为在时间上更为重要，因而被授予更高优先级。

在真正的优化技术中优先级的提法本身应是隐含的而不是显式的。其原因如下：一列具有高优先级的火车虽然必须满足一个截止期限(或者错过截止期限的后果是严重的)，但如它提前到达却不会产生任何附加收益。用另一方式表述，提前并不一定是优点，而迟到可能造成相当大的负效果。在真正的费用优化计划中，优先级必须柔化，而优先级功能必须在“不能迟到”约束条件下加以延缓。

优化的一个基本原理是操作的每一个单元在所优化的准则中具有一个与其相关连的增值费用。增值费用可以是燃料费用、人员的小时费用、机车的小时使用费用或机车行驶距离乘上小时使用费用。实际增值费用因素应该包括在优化计划中，包括罚款。

该计划应在增值费用中包括非线性以考虑下列事实：在交货时间调度表中实际费用可能或如阶跃函数上升或如斜线上升。作为例子，提前交货并不带来优点，而不及时交送一定货物可能要付$1000固定罚款，而如使船只在港口多停泊则尚需支付每小时$1000附加的滞留停泊费。

在真正的优化计划中应对包括资源调拨在内的各种变量巧妙处理以使总费用最小。一个例子是两列正沿轨道驶向目的地的火车，其中之一晚点四小时，另一列晚点半小时，这两列火车都有相当大的但却固定的迟到罚款额。合理解决办法是对晚点四小时的火车不做任何事情，因它已不可能赶上调度计划，而是给晚点半小时的火车一切机会去赶上半小时以避免迟到罚款。在这种情况下，给予晚点四小时火车的优先级将大大低于一列大宗日用品火车，因大宗日用品火车可能涉及更多所用资源。

在本发明中，是对费用的全局的或总的优化起作用而不是预定优先级在起作用，其中优先级只用作费用因数。总费用包括例如燃料和运输车辆利用等运行费用及由合同项和委托事项所造成的交货费用。只当考虑所有这些费用因数后才能作出真正的最小费用计划。在现有技术的系统中无法作出这类计划，因没有可用技术能计算与每项决定相关连的增值费用。其结果是，依据于调度员和计划员的创造性而生成准优化计划。

因此，本发明的一个目的是消除已知系统中的上述缺陷而提供一种用于为通过多线路发运系统的众多物体的行驶进行调度的新型系统和方法。

本发明另一个目的是提供一种用于优化通过多线路发运系统的众多物体的行驶的新型系统和方法

本发明又一个目的是提供一种新型系统和方法，其中一个详细的行驶计划与一个发运系统的控制有密切关系。

本发明还有一个目的是提供一种新型系统和方法以便根据调度计划而操作发运系统，以使任何时候与调度计划的偏差最小。

本发明另一个目的是提供一种在发运系统中管理运载体行驶的新型系统和方法以便参照整个系统上解决冲突的办法解决局部冲突。

本发明又一个目的是提供一种新型系统和方法，其中系统资源使用中的通过管理这些冲突的时间范围而得到缓解。

本发明又一个目的是提供一种新型系统和方法，其中资源使用中的冲突通过对这类资源的使用进行严密调度和操作而得到缓解。

本发明又一个目的是提供一种新型系统和方法，其中通过提供一个详细的可实现的行驶计划和提供一种用于实行该详细的可实现的计划的手段而减少发运系统中的延迟。

本发明又一个目的是提供一种用于提供一个通过多线路发运系统移动众多物体的计划的新型系统和方法，它在物理上可由被移动物体所达到并可用于控制这些物体的移动。

本发明又一个目的是提供一种用于提供一个通过多线路发运系统移动众多物体的计划的新型系统和方法，其中被移动的物体转换为用于处理的时间间隔。

本发明又一个目的是提供一种在粗糙调度和精细计划阶段中利用不同抽象层次进行优化的新型方法和设备。

本发明又一个目的是提供一种用于优化的新型系统和方法，其中移动细节数量以与求解空间相反的方式被优化。

本发明又一个目的是提供一种进行优化的新型系统和方法，它使用基于规则推理机为基于约束推理机提供约束条件。

本发明又一个目的是提供一种用于优化的新型系统和方法，在进行优化时开发行驶计划的过程中使用基于规则的和基于约束条件的推理机的组合，在进一步优化时使用基于过程推理机。

本发明又一个目的是提供一种在考虑操作费用和交货费用的情况下进行优化的新型系统和方法。

在另一方面，本发明的一个目的是提供一种新型模型和能实行不同层次抽象的建模方法。

在又一方面，本发的一个目的是提供一种新型计算机和在开发计算问题的求解方法中将仿真的软处理与分支和连接技术组合起来的计算方法。

本发明的又一个目的是提供一种新型计算机和具有仿真的软处理过程的智能化集中的计算方法。

为实现上述目的，本发明提供一种在铁路系统中产生资源行驶计划的方法，其中该计划得以优化以降低成本，并且资源包括任何可调度的实体，所述方法的特征在于包括以下步骤：

(a)建立一个由用户规定的铁路运行规则的数据库；

(b)根据用户规定的铁路运行规则数据库，在一个基于计算机的并且基于规则的推理机中建立一套与列车行驶有关的调度约束条件；以及

(c)在基于计算机的并且基于约束条件的推理机中推导最优行驶计划，其中基于约束条件的推理机利用了该套调度约束条件。

本发明还提供一种为多部列车通过多路径铁路行驶制定计划的系统，其特征在于该系统包括：

(a)用于使用一个基于规则的推理机和一个基于约束条件的推理机的组合推导一个列车行驶调度表的装置，其中向所述基于约束条件的推理机提供由所述基于规则的推理机产生的约束条件，作为排序约束条件；

(b)用于将调度表和与列车相关的成本数据提供给一个基于计算机的处理机的装置，所述处理机用于模拟铁路运行并调整调度表，以消除冲突并优化调度性能，产生一个行驶计划；

(c)用于将行驶计划传送给某部列车的装置；

(d)一台位于该列车上的计算机，用于确定与行驶计划相关的油门和制动器设置值；

(e)操作上与所述计算机连接的并且用于根据所述设置值对该列车进行控制的装置。

本发明另外提供一种在铁路系统中对一段时间内使用资源相关的命令进行调度的方法，其中资源包括任何可调度的实体，所述方法的特征在于包括以下步骤：

(a)在基于计算机的计划决定器内，对每个命令限定所需的调度，该计划决定器采用一套规则，这套规则包括标准操作规程、非固有运输和公司策略；

(b)在基于计算机的活动排序器中产生为满足每个命令所需的活动序列；

(c)在一个资源决定器中对每个活动产生一个替补资源清单，其中每个替补资源有能力进行清单中的活动；

(d)计算完成每个活动所需的时间间隔，其中对于与列车行驶有关的活动，采用了一个列车性能计算器；

(e)在基于计算机的时间间隔转换器中，将活动序列转换为时间间隔序列；

(f)在基于计算机的间隔组合器中，将时间间隔分组为逻辑序列；

(g)在基于计算机的资源调度器中建立一个调度表，其中该调度表通过将时间间隔组与替补资源结合起来满足资源可用性约束条件和间隔约束条件；以及

(h)在资源调度器中对调度表进行优化，使铁路运行系统的运行成本最小。

阅读权利要求书、附图和下最佳实施例的详细描述后，熟练的技术人员将晚清楚地理解本发明的这些和其他许多目的和优点。

图1是现有技术系统的原理框图。

图2是本发明系统的一个实施例的调度中所用现有技术弦线的图形描述。

图3是本发明系统的功能框图。

图4是图3系统级计划系统或命令调度系统的功能框图。

图5是COPES内核中图4的资源调度器实施的系统流图。

图6是图3的计划系统／调度系统的行驶计划器部分的功能框图。

图7是图6物理模型的功能框图。

图8是系统操作的原理阐释。

图9是图6的三维模型的多层次抽象的图形阐释。

图10是可能用在机车中的图3的火车控制器的功能框图。

图11是图10的火车控制器的一部分的功能框图。

可在一个铁路货运调度系统的范围内了解本发明许多优点，下面本发明不同部分的最佳实施例和它们的操作是在这种范围内描述的。

参照图3，根据本发明的火车调度和控制系统可包括一个系统级计划系统或命令调度系统200，一个计划／调度204，一个安全保证器206和一个火车控制器208。

从总的词意看，如下面进一步解释的，系统级计划系统负责总的系统计划以准备系统的不同资源以使它们用最优方式满足系统上的命令或需求。系统级计划系统开发一个粗糙的利用不同资源的调度表并将此调度表送至计划器／调度器204。

计划器／调度器204自系统级计划系统200接收粗糙调度表，并如下面进一步描述的，确定一个称为行驶计划的资源的详细调度表。该行驶计划供计划器／调度器204的调度部分使用并最终传送至被控制火车的机车上的火车控制器308。

由计划器／调度器204开发的行驶计划可由安全保证器206检查以确认由计划器／调度器命令的行驶不会使系统的任何火车陷入不安全状况。

继续参照图3，计划器／调度器204还可用为不同轨道单元210(例如道岔)生成合适的命令信号以将铁路系统配置为实现本发明系统的自动化实施例中的行驶计划所需的那种系统。就行驶计划信号而言，送至轨道单元210的信号可由安全保证器206检查其安全性。

有关火车位置和轨道单元设置的信息可送回至计划器／调度器。

在计划器／调度器204无能力开发供所需服务用的调度表或在火车无能力执行这类调度表的情况下，此类例外被往上送回至通信链以便由更高层次按需要进行处理。

可注意到在图3中系统的每个层次中系统考虑到火车的大小(质量)和功率、不同轨道参数和火车管理约束条件对调度和行驶过程的影响。轨道参数包括具体轨道的物理特性，当具体的火车沿轨道往返行驶时这些特性会影响火车速度而当火车沿轨道行驶时这些特性会影响速度或功率的变化率。例如，这些参数包括轨道坡度，它的曲率和斜坡，及路基和铁轨的条件。通过生成考虑这些轨道参数的调度表，系统级计划系统200有能力生成一个粗糙调度表，它在计划器／调度器204的详细计划期间内很有可能被成功地实现。类似地，计划器／调度器204使用这些轨道参数以保证所开发的行驶计划是现实的并可由实际火车安全地和准确地遵循。

同样地，系统的所有层次可在它们确定粗糙调度表、行驶计划和用于控制火车的命令时包括火车管理约束条件。火车管理约束条件包括已知的和已公认的火车运行所依据的经验的和其它因素。这些约束条件包括刹车技术和用以避免出轨的道岔切换措施。

例如，一列刚驶过坡度顶峰的长火车被考虑为“拉伸”，因其所有车厢间连接器都处于拉伸或张紧位置。当火车的前半部分在顶峰另一侧开始驶下坡时，此时如果发动机减速则下坡处的车辆将被挤压，因此施用动力刹车(即只由发动机操作的刹车系统)是危险的。当每辆车辆被它前面的车辆减速时，车辆间连接器被挤压，车辆扭弯的趋势是已知的出轨原因。这类火车管理约束条件随火车长度和类型的不同而变化并在系统的每个层次内加以考虑。

图3的计划器／调度器204具有两个过程：一个计划／调度功能和一个行驶计划器。该计划／调度功能对火车自其出发点(即其最早离开时间)直至其到达目的地(港口，货场，矿区或终端站)的行驶负责。如下面结合图4将要详细地描述的，该行驶计划器接受由系统级计划系统或命令调度系统200初步确定的粗糙调度表并利用物理属性、轨道参数和火车管理约束条件的细节生成详细行驶计划。

行驶计划是贯穿整个计划的火车的时间历程并考虑在实际地执行计划期间预料会出现的物理力。例如，行驶计划器考虑火车惯性和轨道参数等以提供一个行驶计划，其中考虑到火车不能瞬时地达到其所需速度。

因此行驶计划器考虑到安排火车行驶的具体轨道上不同约束条件对速度变化和／或时间的影响。例如，假如行驶计划器确定将一列特定火车置于岔道上，该行驶计划器考虑到在分岔之前该火车可能应减速这一事实，尤其是如火车停靠在岔道上，则随后的加速不可能是瞬时的，而是受机车重量、轨道附着力、火车重量、坡度和曲率的约束要在一定时间内才能提高速度。如此方式，行驶计划器生成火车应行驶的确切轨迹。

这个详细行驶计划与现有技术中的系统大不相同，现有技术中最多参照同类型火车以前要求或现在希望驶过同一路段所需平均时间来生成计划。虽然平均来说，现有技术中仿真的平均值一般说来相当准确，但是通常它们所具有的特性不可能在实际火车的行驶中实现。

例如，现有技术中在两个路段间的行驶模型依据于这两个路段上的平均速度。如果简单地依据平均速度生成行驶计划，则因为无法由实际火车瞬时地获得模型平均速度，所以行驶计划无法准确地预料火车轨迹。当使用平均速度生成行驶计划时，火车实际上无法执行这一计划，而这一计划也就不能用于控制火车。

与现有技术不同，本发明不单考虑各点间平均速度，也考虑影响火车速度和段末端之间各点的时间的其它因素。如此方式，本发明的行驶计划不但准确知道火车何时到达特定段末端，而且确切知道何时在一段中间的何处。由于行驶计划知道由其控制的火车到达特定设施的确切时间，例如到达岔道或另一轨道的时间，它就能较现有技术中更确切地对会车和通过进行调度。

在图4的行驶计划器中，可使用固定块规则，也可使用移动块规则。固定块规则反映了轨道的分段化而分为固定块或段。在现有技术中，块长度选为刹车距离最长的火车也能停下的距离。在火车跟随的情况下，后随的火车应与前导火车至少保持固定块长度的倍数。

通常在后随火车与前导火车之间保持的距离为固定块长度的倍数。由于本发明的系统使用一种与所考虑具体所控制火车的能力和动力学具体地相关的极精确控制，因而能反映出具体火车的实际刹车距离，因此火车间间隔距离可比固定块系统中小。因此本发明的系统不是基于“最坏情况”刹车方案，从而改善了铁路系统的吞吐量。

继续参照图3，计划器／调度器204使用由图4行驶计划器生成的行驶计划以控制火车的运行。在一个实施例中，可显示行驶计划的选择部分以协助操作人员调度火车和按行驶计划所需正确地配备不同轨道单元(道岔、信号等)。在本发明另一实施例中，计划器／调整器204可自动地通过通信基本设施将行驶计划进行调度以便将行驶计划的恰当部分送至机车上的火车控制器208并远距控制不同轨道单元。

行驶计划信号和轨道力控制信号可单独地由安全保证器206检查它们的安全性，安全保证器206可独立地、不顾及调度计划而确定所命令的具体行驶和施加的轨道力是安全和合适的。安全保证器可为任何一个恰当地编程的计算机，尤其是一个具有内装的冗余硬件以消除单点故障可能性的计算机。

重要的是注意到由计划器／调度器204所确定的行驶计划轨迹与由火车控制器208所实现的火车行驶之间存在着紧密连系。如由计划器／调度器204计划的轨迹，包括诸如惯性轨道参数和火车管理等因素都不够详细，则火车控制器208将无法实现此计划并且它发出的例外通知将会塞满计划器／调度器。

现参照图4中阐述的系统级计划系统或命令调度系统200，它可能包括一个计划范围决定器304、一个活动标识器310、一个替补资源决定器314、一个火车行动效果计算器318和一个时间间隔转换器320，以上这些都包括在示于虚线340以上的基于规则推理机内。命令调度系统200也可能包括一个基于约束推理机，它包括一个间隔组合器324和一个资源调度器330。使用部分可提供一个显示器334和供其它输出设备用的终端(未示出)。

如图4中所示，可通过输入终端302向计划范围决定器304发送有关铁路服务的新命令。该命令可以是有关铁路服务的任何请求，它可包括一个始发站、在始发站上的最早装车时间、目的站、到目的站的最晚交货时间(晚于该时间后将要求罚款)、决定延迟交货需付罚款的和／或提前交货时所给奖励的费用函数、以及任何其它适合于命令类型的信息。

命令的形式可以是要求将一列特定装车的火车自A站驶至B站，在两站间提供环线服务，搭乘未指定的火车作多次环线行程，为特定轨道段或其它铁路设备安排维护周期，等等。因此，要求自煤矿装煤并在港口交货的命令可能需要一个或更多个行程，其中每个行程需要一列火车资源、一连串轨道资源、矿区装载资源和港口卸货资源。如果可用另外路径，则一连串轨道资源当然决定于所选路径。

计划范围决定器304还在输入端306上接收可用资源的数据。一项资源可为任何可予调度的实体，例如可为一台机车、一辆货车车辆、整列火车、例如装载器或卸载器那样的终端设备、路轨段和与之相关连的任何固定块或移动块、或路轨或火车维护设备。

计划范围决定器304还可能通过输入端308接收任何调度例外信息。调度例外可为任何预先调度的而在调度表规定的特定时间时隔偏差范围内无法满足及按照公司规则章可能要求重新计划的事件。

计划范围决定器304还可能接收任何将包括在计划中的非本征行车。非本征行车是任何不由行驶计划器调度的行车，如预调度行车。作为例子，通常铁路货运系统中无法避免的非本征调度可为在同一铁轨系统上行驶的一列客车的不可更改的调度。

计划范围决定器304可为任何合适的通用设备，最好为一台恰当地编程的通用计算机或专用计算机，它们具备能力分析现有数据以生成完成调度的命令。

计划范围决定器304通过端口312向活动标识和定序器310提供命令以及活动标识和定序器310向替补资源决定器314提供一个活动表。

一个活动是在一段时间内需要调配一项或更多项资源的事件。例如，一个活动可为将一批日用品装上火车，这需要调拨一列火车、调拨装载设备、或在装载场所附近调拨轨道，每项资源的使用时间决定于火车容量和装载设备的特性。

活动标识和定序器310又自端口306接收一个可用资源表以便按所需时间顺序完成所标志的活动。活动标识和定序器310可为任何恰当地编程的可存取所需数据的通用或专用计算机。

来自替补资源决定器314的替补资源表可通过端口316提供给火车行动效果计算器318和时间间隔转换器320。火车行动效果计算器318也如下所述地向时间间隔转换器320提供一个输入信号。火车行动效果计算器318可为任何合适的常规的恰当地编程的通用或专用计算机，它们有能力自火车组合数据中导出火车行驶地形的效应。虽然不限于此，但地形对火车加速和减速的效应特别重要。计算器通过端口321接收来自图7和8的物理模型的数据库。

时间间隔转换器320也可类似地为合适的常规通用或专用计算机，它们有能力将每项替补资源转换为考虑到火车行动效果的时间间隔。

来自时间间隔转换器320的输出信号可通过端口322送至间隔组合器324。间隔组合器324也通过端口326接收来自计划范围决定器304的命令。来自间隔组合器的输出信号作为一组时间间隔通过端口328送至调度器330。

间隔组合器324可为任何合适的常规通用或专用计算机，它们有能力使用替补资源计算与每个行程的执行相关连的全部时间。

资源调度器330在接收间隔组合时通过输入端332接收用以评估调度的性能度量数据。此外，调度器330自计划范围决定器304接收用以标志调度过程可用资源的信号。来自调度器330的输出信号送至合适的常规显示器334和通过端口336送至其它使用设备(未示出)。调度器330的输出信号是如下所述地送回计划范围决定器304的调度表。

资源调度器330可为任何合适的常规通用或专用计算机，它有能力以高度优化的方式对在轨道系统上通过的不同火车进行调度。然而，如下面结合图5更详细地讨论的，资源调度器330最好使用熟知的模拟退火处理(simulated annealing)以逼近最优解法。模拟退火处理在C．W．Hasselfield等人的论文“ An Automated Method for LeastCost Distribution Planning”、Khaled Ghedira的论文“DistributedSimulated Re-annealing for Dynamic Constraint SatisfactionProblems”以及Harukazu Igarashi的论文“An Estimation of Parametersin an Energy Function Used in a Simulated Annealing Method”等中有述。

在操作中，计划范围决定器304根据新命令和／或调度例外事件决定应完成的计划范围。在接到新命令后，计划范围决定器304使用由标准操作步骤和公司规章等所规定的一套规则和来自调度器330的现行调度表以及现有所调度的火车行驶计划或维护操作以确定应予调度的合适动作。在确定应完成的计划范围时也需考虑到任何非本征行车。

通过限制计划范围，可消除人员与由常量调度变化造成的内在低效率之间和与由于改变到正进行的或急迫的动作而造成的低效率之间的混淆。

活动标识和定序器310接收来自计划范围决定器304的命令并用它们生成一个活动表。对于每个命令，标志一个需满足该命令的活动表。活协表包括在执行命令中必须驶过的轨道单元(即路径)的顺序。路径选择可基于费用分析、基于以前确定的公司规章或标准操作步骤。当然活动表是排好顺序的以构成在执行所调度的命令中应完成的每个动作的顺序表。

活动表送至替补资源决定器314。对于活动表上的每项资源，都分析将这个资源调拨给特定活动的可能性并通常根据对运输车辆的限制或根据公司规章选择运输资源。例如，诸如运煤操作所用港口那样的特定目的地可能无法卸下某些类型的运输车辆。同样地，具有特定机车功率的具体类型的火车可能无法在不造成发动机过热或失速的情况下爬上所选路径的坡道。

作为活动表上每项活动的替补的资源表可作为替补资源送给火车行动效果计算器318和时间间隔转换器320。因此替补资源决定器314用于限制将运输车辆和／或其它资源调配给有能力完成的活动的可能性。

火车行动效果计算器318和时间间隔转换器320一起为接收到的活动表上列举的每项活动和为每项替补资源计算完成动作所需时间。对于火车(已装车的或未装车的)在一系列轨道段上的行驶，可由诸如AAR TEM模型那样的市场上现成的火车性能计算器完成此计算。

可将火车容量除以一个常量的终端站处设备的装载(卸车)率以算得装载和卸车任务。此装载或卸车率可能是变化的，此种情况下在计算时间时应考虑设备的非线性特性。在装载／卸车过程中还需包括用于将火车定位于装载设备／卸车设备处的附加时间。为活动表上每一项活动所计算的时间应为每项替补资源的火车行动效果进行调整，而时间间隔信息则提供给时间间隔转换器320。

时间时隔转换器320将活动表上的活动顺序转换为时间间隔顺序。由替补资源决定器314标志的每项活动的来自火车行动效果计算器318的数据用于完成以上转换。在可用替补资源完成任何活动的情况下，要为每项活动计算所有替补时间间隔。一定类型的活动，例如维护活动具有由外部规定的完成时间间隔，因此不需计算。时间间隔转换器320将按资源和按时间组合的时间间隔表送至间隔组合器324。

间隔组合器324自时间间隔转换器320接收组合间隔表。间隔组合器324也自计划范围决定器304接收命令并将按逻辑顺序执行命令所需时间间隔加以组合。对于行程，间隔组合器324提供为完成整个行程所需时间间隔，但却指出必要时哪些时间间隔可分成由间隙隔开的较小间隔。

间隙代表组内完成一个时间间隔后至启动下一个时间间隔之间可能度过的时期。间隙可为岔道或其它设施用于保持一列火车例如允许第二列火车通过的一段时间。其后紧随间隙的任何时间间隔(例如一列火车驶过一段轨道到岔道的时间间隔)可称为“允许间隙时间间隔”。由此类过程定义的间隔组作为间隔组送至资源调度器330。

接收间隔组的资源调度器330也自计划范围决定器304接收一个调度可用资源表。顾客提供的与命令有关的性能度量也用于如下所述地对调度进行费用估算。资源调度器330因此对能满足资源可用性约束条件、满足内部约束条件如使性能度量成为极小的调度表进行搜索。

如以前所指出的，可使用不同合适的常规技术搜索可接受的调度表，但以上讨论的仿真软处理技术是最佳的。如由于组合时间间隔过长而找不到可接受的调度表时，间隔组合即被送回至间隔组合器324以便在间隙处划分为更小组合。在划分后它们可被送回至资源调度器330以重复调度过程。此调度过程不断继续下去，时间间隔愈来愈小，直至间隔组合不能再划分，此时在任何时间间隔组中已无任何允许间隙时间间隔。

任何时候只要资源调度器330能提供一个能满足对其所加的限制条件的调度表，该调度表即被送至显示单元334及任何其它接至终端336的选用的使用装置。此调度表也送至计划范围决定器304，用作它数据库的一部分，其中调度表的尚未完成部分被用作决定进一步计划中的免除调度部分。

当资源调度器330无法提供与所有约束条件相适应的调度表时，即报告一个最好的可用调度表并标志出调度表中具有未解决的冲突。涉及冲突的资源和活动的有关信息被标志。

显示器334方便地显示最后的调度表以供用户查看。普遍的显示内容是如图2中所阐述的铁路所用的弦线图。

注意到图3的命令调度系统200中在图4的水平虚线340以上部分的部件是基于规则的系统的部件，也即一个向资源调度器330和间隔组合器324提供约束条件的基于规则推理机。本发明的一个方面是基于规则的系统和基于约束条件的系统，两者都用于调度命令。此种推理机的组合计算调度表时获得了不寻常效率。

资源调度器330使用火车行驶和资源的抽象以完成火车资源的全局优化调度。为准实时的可实现求解方法的资源选择一个抽象内容的做法是减少在开发详细行驶计划中行驶计划器所需搜索空间的关键。

资源调度器330最好在Harris公司开发的约束行进专家系统(COPES)内核中实施。此内核提供一个用于开发可在一个机器中实现也可分布于TCP／IP环境中任何数量机器中的分布式算法的虚拟机。此虚拟机提供一个具有内装通信能力和独特离散仿真能力的约束行进推理环境。在1993在Goddard召开的“人工智能在空间科学中的应用”会议论文集59页上对此有很好的描述。

在COPES中开发资源调度器330的一个优点是它可自计划范围决定器304接收异步请求及(a)可及时中断调度过程并将在此之前找到的最好解法送回此点，或(b)可放弃现行调度过程并根据新近的系统变化，例如调度活动的偏差，启动一个新的调度请求。

图5中所示资源调度器330是一个UNIX过程，它对资源进行调度以便用能满足一套用户规定的约束条件的方式执行一套铁路服务的命令。多个命令可用批方式或顺序方式加以调度。如以前所指出的，一个命令也具有一个提供服务的时间间隔及一个用于规定延迟交货应付罚款和／或提前交款的奖励的费用函数。一旦选择了资源，将资源使用数据中获取的火车效果包括进来即可将活动表转换为一系列时间间隔，接着可将间隔组合起来。使用称为集中仿真软处理的新型搜索步骤以满足约束条件并获取较低费用解法，可将这些时间间隔组合互相之间作相对移动。

集中仿真软处理是COPES中所编写的仿真软处理的分布式版本。它继承了具有应该极小化的能量函数的行驶操作器的随机生成中的仿真软处理的传统特色。

A．通过约束条件生成可能行驶的操作是随机和分布的。

B．在早期阶段的优化中允许采取一些不好的行驶。

C．当“温度”降低时允许有较少不好行驶。

D．在最后阶段只允许有好的行驶。

变量包括起始温度和减温步骤次数。对于每一减湿步骤它也包括重新配置次数、成功次数和尝试次数。

此方法与传统仿真软处理的区别在于它以智能化方式对重要区域集中注意力的能力。在搜索的早期阶段，此集中限于由计划器传过来的一定的指导信息，例如与最少利用岔道或最早交货等目标有关的解法的约束条件似然性程度。此信息被集中仿真软处理技术用于确定在搜索过程中是否使用一定行驶操作器，如果如此则确定相对于其它操作器多久激励它们一次。因此与传统的仿真软处理技术的使用相比较，行驶操作器的生成虽仍是随机的，但都更有针对性。

允许与每次行程有关的约束程序自己决定现有行程(例如起始时间、调拨的设备)的改变对全面情况的用处，即可以使集中仿真软处理得以分布。每个程序在随机的基础上为改动而调度其相关连的行程，其时间范围为一反映行程下一行驶重要性的变量(例如较大时间范围标志较小重要性)。

资源调度器330采用在COPES内核中编写的仿真软处理的动态的、分布的、鲁棒性的和有效的版本。其动态的含意在于特性可由自系统级计划系统送来的带有调度请求的参数(例如具有多项式费用函数形式的停泊费用)，由COPES数据库中定义的参数及由调度问题本身中固有信息所控制。它是一个分布式算法，也即火车行程是COPES类对象，每个类对象所具有的与它们密切相关的约束对象彼此独立地激励。如此导出的解法比更为顺序的算法的情况更独立于问题领域，因此为更鲁棒性的方法。它是有效的实现，也即它采用作为具有可用性文件的COPES对象的每项资源的紧凑表示和一个时间逻辑方法，后者当增加或删除行程时以有效的方式操纵这些可用性文件。时间逻辑也考虑诸如移动块距离那样的约束条件。这类行驶的全局费用被作为副产品加以修改。

图4的资源调度器330中COPES的集中仿真软处理的操作在图5中阐述。现参照图5，其中阐述这类资源调度器的一个基于约束条件的系统流。椭圆中的黑体字(如op_resource_usage)是约束条件程序(它们不限于减小搜索空间，而也可生成解法)。当约束它们的类变量被修改时它们只由COPES推理机激励。长方块中所示名字(例如resouree_usage)是具有状态变量(为清晰起见，未示出)的类对象。有许多诸如命令和行程那样的类对象的事例。例如“tripO_state”那样的每个事例实际上由行程状态变量及用以规定为完成行程所需资源顺序的trip_resource类对象所组成。每个命令由足够的用于满足命令的行程所组成。约束条件与每个行程密切相关，而且是探索空间的主要行驶操作器。

时间间隔转换器向资源调度器330请求一个调度表。Server_io约束条件激励此请求并将它送入促使op_resource_usage约束条件激励的接口状态类中。此约束条件为每种使用每项资源的火车类型存储预先生成的资源使用时间(来自时间隔转换器)。它也存储有关两个轨道段之间岔道利用可能性的信息。

现通过op_capacity_request消息接收对调度的请求。此消息包含有关以前描述的命令、搜索目标和约束条件的信息。op_capacity_request约束条件为每个命令生成命令类对象和足够的满足每个命令的火车行程。它通过Search_state类对象通知control_search约束条件开始集中仿真软处理。

confrol_search将搜索和软处理参数初始化及为第一阶段搜索设置参数，它激励全部所选行程约束条件及随机地调度它们用于激励。该用于激励的调度表是一个离散事件队列，它由COPES中类变量的所调度的修改所反映。由于每个行驶操作器被激励，所以它检查是否一个仿真软处理参数标志着需要进行改变。如需进行改变，该操作器通知Confrol_temperature约束条件以降低温度及为下一个温度重新将搜索参数初始化。

在第一阶段末尾，confrol_search开始另一个软处理过程，在此过程中对每一温度允许进行一半尝试，及在此阶段中不允许更高能量的步骤。由于该搜索处于合理的全局优化邻域，因此希望接着集中于更好的局部解法。在完成最后阶段后，完成一个定向的搜索过程以进一步细化调度和在需要时压缩调度。

在资源调度器无法找到一个满足约束条件的调度表的情况下，它送回最好的可能的调度表，同时送回的有一个已往发生例外的标志、资源的标志和涉及例外的活动。

下面描述完成实际搜索的行驶操作器。每一个是与一个行程类事例密切相关的约束条件的事例。决定于搜索阶段、搜索目标和它们的改善解法的似然性，行驶操作器的特性是变化的。在较低温度下move_trip和mod_gap行驶操作器减小用于相关行程的起始时间范围。这在较低温度下将重点自全局移至局部。只有在低温度下确定火车设备在其当前调配条件下已超约束时，才激励change_equipment。只在第一阶段末尾和只当标示出严格约束的情况时才激励move_group操作器。

在最后阶段中较低温度下，通过寻找描述它们的资源使用可用性文件的过分利用情况，move_trip和mod_gap操作器很相似地帮助搜索。如检测到这类过分利用情况，则操作器将它们自己调度为可随机地但却比其它情况下在时间上更靠近地激励。能量的概念是资源例外，操作费用和例如最早交货那样的目标的加权组合。能量功能对最重要的资源(如矿区、火车)给予更大重视。

下面是最佳系统中所用行驶操作器：

A．move_trip一个移动一个行程的约束条件(包括所有行程资源并考虑调度约束条件和费用)。如费用不是更好则将行程往回移动。然而，决定于温度和预言决定早在仿真软处理中可允许费用更坏些以避免局部最小解法。

B．swap_trip一个交换两个行程的约束条件(包括所有行程资源和考虑调度约束条件和费用)。如费用不更好则将它们往回移动。

C．mod_gap一个利用松驰调度百分比的概念以尝试在资源利用之间增加间隙以使冲突最少的约束条件。这些间隙只能插入至存在岔道的地方，从而提供抽象岔道的能力。它尝试使插入的间隙的数量最小。

D．change_equipment -当火车被超约束时用于为此行程调拨不同类型火车的一个约束条件。

E．move_group -一个利用调度的可用时间移动一组行程的约束条件。如果不用它，一个严格的调度将会在不用的火车组之间具有时间间隙。

从上面可明显看出，资源调度器330将火车行驶和资源两者都抽象化，从而全局地优化火车调度。COPES中集中仿真软处理的使用将注意力集中在重要区域上。通过允许与每个行程相关的约束条件对有关修改全局解法的有用性作出决定，可使虽为随机的移动操作器的生成更具有定向性。

如图3的系统框图中所示，命令调度系统200向计划器／调度器204提供调度信息，后者的一部分即行驶计划器202在图6中更详细地描述。

现参照图6，行驶计划器包括一个行驶计划初始化器400、一个行驶计划执行器402、一个物理模型404(最好为如图3中所阐述的独立应用单元)、一个显示器、一个解法选项标识器408和一个冲突解决器410。

行驶计划初始化器400通过计划器／调度器204自图3的命令调度系统200接收调度表。行驶计划初始化器400也自任何合适的常规外部来源，通常自计划器／调度器204的调度功能接收有关系统状态的信息。此信息可自不同来源，例如地理定位系统(阐述于图10中)或系统中用于确定火车位置的常规轨道传感器中获得。

调度表和铁路系统状态的数据与每列火车的定义和它们的出发站一起用于将行驶计划器初始化。火车的定义可包括所有有关数据，例如机车数量和类型、车辆数量和类型和每辆车辆重量。每列火车的出发站包括火车在系统中的位置，它在轨道上的方向和它的速度。对于每列火车，调度表至少应包括：始发站、离开始发站的时间和目的站。此数据为一“状态向量”，它连同用于标志行驶计划器202应做火车行驶计划的时间范围的时间间隔一起送至行车计划执行器402。

行驶计划初始化器400可为任何恰当地编程的通用或专用计算机。

行驶计划执行器402自行驶计划初始化器接收调度表和系统状态数据并连结以便与物理模型404和解法选项标识器408进行双路通信。行驶计划执行器402也自冲突解决器410接收信息并通过端口406向计划／调度功能提供信息。

行驶计划执行器可为任何恰当地编程的通用或专用计算机。

行驶计划执行器402接收和记录状态向量，同时使用物理模型404的服务将时间向前增量直至出现下列情况之一：(a)物理模型404报告一项火车冲突，(b)出现一个特定停车条件或(c)已到仿真时间间隔。

如物理模型404报告一项火车冲突，则保存冲突时的状态向量并由行驶计划执行器402将冲突与用于报告火车行驶时间历程的数据一起报告。作为替换方案或附加方案，物理模型404将检测冲突存在及与其有关的背景信息报告给冲突解决器410。

一旦由行驶计划执行器402供给用以标识初始状态、停车条件和时间往前间隔的数据后，物理模型即跟踪火车行驶。

解法选项标识器408自行驶计划执行器402接收有关冲突的通知并标志出可用于解决冲突的选项。

冲突解决器410自解法选项标识器408接收所标志的选项，并根据自图4的命令调度系统200的端口332接收的性能度量数据完成一项分析。通过对每个选项进行仿真和相关连的性能度量或性能系数进行计算可完成此评估。

如希望“局部优化”，则将此“最好”结果向行驶计划执行器402报告以便向调度员显示和／或修改行驶计划以包括可应用的替换路径和自初始状态或其它所记录状态开始重复进行使用物理模型404的仿真。如果由图3的命令调度系统200所提供的调度表在规定调度时间上已足够地智能化，则在很多情况下局部优化是满意的。如未小心地规定调度时间，则局部优化可能导致“死锁”，即无法再解决冲突的情况。出现死锁是因为一个冲突的解法导致限制其它冲突的替补解法。

可使用不同优化技术完成“全局优化”，最好使用熟知的用于搜索替换解法树的“分支和连接”技术的版本。在分支和连接技术中，每个冲突在决策树上被模拟为一个分支点。当进行仿真和解决冲突时，搜索技术选择费用最小方案并继续仿真。将方案费用作为每个冲突点的系统变量并保存下来。在不同方案中选择最低费用解法可能不一定导致全局最优解法。分支和连接技术允许在树上往回搜索并撤销以前所做决定以便得到更低费用解法或避免死锁。

于调度器端口406处可用的行驶计划最好包括一个合适的常规显示器以便在出现冲突前显示火车行驶和以图形形式展现导致冲突的时间历程供操作人员解释和求解之用。

此外，来自选用的解法选项标识器408的数据可向操作人员显示以协助他手动地解决冲突。在与每个冲突有关连的选项和费用之外，冲突解决器410可提供一个解决冲突的建议及此建议也可向操作人员显示。

参照图8中阐述的系统可更容易理解图4的命令调度系统中基于规则系统和基于约束系统及图6的行驶计划器间的交互作用。

众所周知，约束条件是对实体数值的限制。在此描述中所考虑的约束条件一般分为三类：在执行命令的任务中固有的时间约束条件，铁路结构中固有的约束条件，及由用户显式地规定的那些约束条件。

命令约束条件包括由于火车不可能由一站跳至另一站而不经过中间路段这一事实所规定的活动的顺序特征。例如，为了在矿区装煤，火车必须自火车始发地至矿区目的地按恰当顺序占有轨道段，然后才能占有矿区处轨道段和矿区装载设备。

在铁路结构中约束条件也是固有的。这些约束条件包括允许间隙单元(位于路段间的岔道)和单／多轨配置。可包括差别很大的用户规定的约束条件。这些约束条件一般为时间约束条件，它在一定时间周期内限制资源调度器330调度一定资源。

这类约束条件的一个例子是一个限制装煤时间(例如只能在白天)的矿区。将资源可用性限制在规定时间间隔内即包括进这一约束条件。这一约束条件的另一例子是资源，例如在特定时间间隔内交付维护因而不能使用的轨道或机车。又一个例子是不受调度器控制的火车，例如，受到货车调度器之外的实体调度的一列火车。通过恰当地规定资源可用性时间线，可将所有这些约束条件都包括进来。

基于规则的过程根据包括其它因素中公司规章，标准操作步骤和经验因素在内的一套规则将命令转换为适合于约束行进解法的形式及通过消除一定替补解法从而限制搜索空间。基于约束条件的过程解决下列问题：移动时间间隔以便在满足所有约束条件的情况下使外部提供的性能度量最大。此过程的结果是一个包括用于火车操作、维护活动和终端设备的全局最优调度表的铁路运行调度表。

如图8中所示，每一个过程可实施为一个具有使用基于UNIX接口的熟知的客户服务器关系所实现的两个过程间的过程间通信的异步UNIX过程。

在提供程序过程装置的情况下，它也可实施为一个或更多个异步UNIX过程。这些过程使用熟知的客户服务器过程间通信手段进行通信。该程序过程装置用于细化调度表以包括铁路系统细节。这通过下列步骤完成：对铁路操作进行仿真；将从基于约束条件的过程中所用模型抽象层次的结果中所得调度表中的冲突加以标志；以及调整调度表以消除这些冲突而与此同时仍使性能度量极大化。

一旦完成这点，通过细化调度表所获得的行驶计划被送回至基于规则的处理器。如由于任何原因不能解决所有冲突，则于将行驶计划送回基于规则的处理器的同时输出冲突的存在。基于规则的处理器根据描述公司规章的一套规则查验行驶计划，以及如果行驶计划是满意的，则将此行驶计划向前送至调度器以供显示或用于如下描述地控制可使用的火车。

继续参照图8可了解本发明的系统操作，其中用户接口500接收命令、非本征行车的标志、调度例外、及作为时间函数用于完成命令的可用资源的一个标志。一个调度例外是执行所规定调度表中预料到的失败，它要求对有关的资源和其它可能的受影响的资源重新调度。非本征行车是不由系统改变的预先调度的行车。命令可用批方式到达，也可在一段时间内顺序到达。

用户接口500将此数据译成“事实”并将它们宣称为基于规则的过程。用户也可增加、移去或改变规则数据库中的一定规则，其目的在于将可能随时间变化的公司规章和其它经验因素包括进来。

用户接口500向一个基于规则的专家系统500提供数据。不同专家系统工具可用于根据规则数据库中包含的规则由一个基于规则推理机对事实进行宣称和处理。因为NASA Johnson宇航中心开发的C语言集成生产系统(CLIPS)能容易地集成至系统中并支持可与基于约束条件的单元相兼容的面向对象的方法，所以它是最佳实施。

此专家系统的功能由一套可划分为数个类别的规则所规定。与命令有关的规则包括用于标志具有相关连资源的活动顺序的规则，其中这些活动需用于执行命令和将命令放入一个可由基于约束推理机解释的结构。

与命令有关的规则也包括用于确定在存在以前调度表的情况下，应完成调度的范围的规则。例如，公司规章可能规定在接收新命令时那些已调度好要在规定时间周期内起始的行程不必重新调度，但若遇到影响现有调度表的未预见的延迟时可以重新调度。当处理命令的服务新类型、公司规章、标准操作步骤或经验因素有改变时，这些规则可能修改。

第二类规则自用户接口500接收可用性信息并将这些规则处理为适合于应用至基于约束条件的过程的形式。可用性的修改考虑到非本征行车、损坏的有待修理或维护的机车、不能使用的轨道、或其它影响可用性的因素。

第三类规则是限制基于约束条件的过程所用搜索空间的规则。提供规则以确定为完成命令需采用的路径。在许多较大铁路中有多条路径可供火车自一个站驶向另一站。此套规则根据物理原理、规定的性能度量、标准操作步骤或／或经验因素选择最优路径。由于机车功率或终端设备限制而不能执行命令的火车是不予考虑的。

第四类规则对由基于约束条件的过程送回的调度表进行评估，以及或者在放宽某些约束条件后重新将命令送至基于约束条件的过程，将调度表送至程序过程装置(如可用的话)，或者通过用户接口500通知用户该请求被过分地约束而无法调度。如提供了程序过程，则第五类规则是用于评估调度表并确定它是否需重新计划的规则，也即在没有冲突时确定按照公司规章它是否可接受和它是否完全。

如设想在实际火车上实现行驶计划，则第六类规则自行驶计划中接收火车偏差的通知并确定是否应该重新调度和确定是否应调整行驶计划或调度表以完成重新调度。

来自调度器客户504的调度一个命令的请求可通过调度器服务器508送至基于约束条件的专家系统510供调度用。在自调度器客户504接收到一个包含未解决的冲突的调度表后，基于规则的专家系统502确定应采取的行动。决定于规则，此行动可包括重新调度或者当未解决的冲突不大时将调度表向前送至程序过程装置(如可用的话)以便在将调度表细化为详细行驶计划过程中解决冲突。

需要时可将调度表送至调度器终端／显示器506以便向操作人员(例如调度员)或自动调度系统显示。如可用程序过程516，则可通过行驶计划客户512将调度表连同一个性能度量送至过程516供细化之用。

调度器客户504可自基于规则的专家系统502接收一个调度请求，将它译为调度器服务器508能理解的结构并将它送至调度器服务器508。此调度请求可包括一个或更多个命令。如以前所描述的，一个命令可包含下列信息：例如物品的总数量(如该命令是成批发运)，可能装货的最早时间，交货的最晚时间，以及一个反映迟交货罚款和／或早交货奖励的性能度量。此外，该命令可反映需要执行命令的活动和适合于执行命令的资源类型(如火车)。

还有，一个命令可包括一个全速百分比参数和一个松驰时间百分比参数。全速百分比参数标志着制订调度表时应让火车以低于最大速度的速度行驶，因而给予行驶行划器更大活动余地以满足最终的调度表。松驰时间百分比提供了有限量的缓冲，在其中行驶计划器可改变火车行程以确保满足总调度表。

在反方向，调度器客户504通过调度器服务器508自基于约束条件的系统510接收调度表，并将它译为可在基于规则的专家系统502中宣称的事实。

调度器服务器508接收具有上述形式的命令并将它译为与基于约束条件的专家系统510兼容的形式。它也将由基于约束条件的专家系统510产生的调度表译为与调度器客户504兼容的形式。调度器服务器508和调度客户504使用技术中熟知的客户服务器过程间通信手段进行通信。

约束行进专家系统510满足一套描述由调度器服务器508宣称的一个命令的约束条件。通过恰当地规定资源可用性时间线可包括所有这些约束条件。

用户规定的约束条件包括不能使用正交付维护的资源，例如轨道或机车，及不在调度器权限范围之内的火车，例如由外部实体调度的履带式火车。

基于约束条件的系统510的最佳实施是熟知的称为仿真软处理的搜索技术。然而，其它搜索技术例如遗传搜索也可适用于某些应用场合。

可使用根据Waltz算法的约束行进内核以实现仿真软处理(例如在1975年New York的Mc Graw-Hill的P．Winston编辑的“计算机视觉的心理学”一书中“理解带有阴影的情景的线画图”部分中有描述)。

市场上现成的火车性能计算器可用于将活动表中的活动顺序译为时间间隔顺序。

另一方案是，一种根据火车行驶的Davis方程的习惯上开发的过程或合适的常规装置可用于估算一项资源为完成特定动作所需时间。如有替补资源可用于完成一个动作，则可为每个动作规定替补间隔。因此可产生按资源和按时间组合编排的间隔表。

间隔按逻辑方式组合在一起，通常最初以整个火车行程为基础(如可应用于特定命令的话)。

计划工作起初按组合完成，接着划分为允许间隙间隔以便继续搜索过程。一个允许间隙间隔是组合中一个间隔，在其后及组合中下一间隔之前允许插入一个间隙。此表示方式用于代表岔道或其它设施的存在，用于在另一列火车通过时将一列火车保留一段时间。提供手段接收间隔组合，可用资源间隔和性能度量以及搜索一个(a)满足资源可用性约束条件，(b)满足间隔约束条件和(c)使性能度量最小的调度表。

当搜索算法结束其搜索而未找到解法时，间隔组合被进一步划分或被插入间隙，间隔被重新组合并接着使用较小时间间隔继续搜索。在完成最小间隔的搜索后，最终的行驶计划被向前送至调度服务器508以便送回至基于规则的系统。如不能满足所有约束条件，则将行驶计划与调度表有冲突的标志和涉及冲突的资源和活动的标识一起送回。

最好提供一个显示器506以显示最终行驶计划供用户查看。不同装置可用于显示计划。普及的方法是铁路所用标准弦线图。如图2中所阐述的，弦线是一张线画图，其中为每列火车绘制作为时间函数的轨道位置。

行驶计划客户512用于将调度表译为与行驶计划服务器514相兼容的请求计划的形式。在程序过程系统516完成行驶计划之后，来自行驶计划服务器514的行驶计划被接收并译为与基于规则的专家系统502相兼容的形式。

行驶计划服务器514将对于行驶计划的请求译为与程序过程系统516兼容的形式。服务器514也将自程序过程系统516接收的行驶计划译为可由行驶计划服务器514理解的形式。行驶计划客户512和行驶计划服务器514使用常规过程间通信手段进行通信。

程序过程系统516自外部来源接收调度表和铁路网的状态(火车位置)并用每列火车的定义和它的起始站将仿真操作初始化。一列火车的定义包括机车的数量和类型，车辆的数量和类型及车辆重量。每列火车的位置包括它的位置，它在轨道上的方向和它的速度。对所有调度的火车行驶进行仿真，直至发生一个火车冲突、发生一个特定停车情况或到达仿真时间间隔时止。

如发生一个火车冲突，则记录发生冲突时的状态向量和确定可能解决冲突的选项。如不出现冲突，则行驶计划是完善的并向行驶计划服务器514报告以便向前送至基于规则的系统和由计划／调度功能执行。

可以枚举可用于解决冲突的选项。冲突可区分为“会车”，“通过”，“合并”和“交叉”。解决冲突的选项包括将一列火车移至另一轨道以等待冲突的火车通过。另一方案是推迟火车驶离起始站或其它停留站的时刻，直至道路畅通。还有一个选项是使一列火车沿轨道停下以允许另一列火车驶上另一轨道。对另一轨道选项的标志和沿路径停车选项可自离冲突地点最近的选项开始加以枚举。

现有系统的一个优点是对选项进行评估和选择能导致最佳性能度量的选项。最佳性能由基于规则的系统提供的性能度量所确定。对每个选项进行仿真并计算相关连的性能度量，即完成对每个选项的评估。如采用“局部优化”，则修改行驶计划以包括最佳可选路径(如可应用的话)，同时仿真操作往回推至最靠近冲突的火车转移至另一轨道的地方。因为以前的调度操作完成了全局优化，所以局部优化在很大比例的情况下是满意的。可使用不同优化技术完成全局优化。

希望使用一种熟知的“分支和连接”技术版本搜索替补解法树。在分支和连接技术中，每个冲突被模拟为决策树上一个分支点。当进行仿真而解决冲突时，搜索技术选择最低费用方案并继续仿真。可记录不同方案的费用，并周期地记录系统状态。在不同方案中选择的最低费用解法有可能得不到最佳全局解法。分支和连接技术允许在树上往回搜索并撤销先前所做决定以得到较低费用解法。

本发明的一个重要方面是使用在计划过程中数个抽象层次中铁路系统拓扑结构的物理模型。铁路系统的拓扑结构可由复杂性的多层次代表。这不仅提供了模拟高度复杂系统的能力，而且提供了隐藏复杂性层次的能力，而这种复杂性不利于模型的有效利用。

如图9中所示，一个面向对象的铁路拓扑模型最好由三个基本单元组成，即结节、段和连点。一个段用于代表一段轨道，它可为单轨也可为多轨，并由按序集合的片断组成。一个片断是具有相同坡度、相同曲率、相同速度限制和长度的一段轨道。

一个结节可代一个复杂对象，而它自己又可包括由结节、段和连点组成的内部结构。连点用于在段的每一末端将段连至一个结节，及结节可具有任意数量的连点。拓扑结构的每个单元具有一个独特的系统标识符以便参照系统标识符标志一个位置。

在最高层次上，一个铁路网由一个结节代表。此铁路网结节所包含的结构又可由一套由段连结的结节所代表。此复杂性的第一层次将一个铁路网模拟为一套连接各结节的轨道段，这代表许多基本实体，例如港口、矿区、始发场、岔道、交叉点、叉道、会合点和分岔点。对于例如道岔和枢纽站那样的简单轨道结构，细节的这个层次可代表细节的最大层次。对于诸如始发场那样的较复杂轨道结构，可增加复杂性的更多层次，直至整个铁路网都已在细节上做出模型。

如图9A中所阐述的，一段的一个末端处的结节900可为岔道902或道岔904。结节906可代表一个具有众多结节的整个港口。

如图9B中所示，在一个结节中使用一个或更多个结节的做法对于在简单的轨道段中开发不同抽象程度特别有用。

铁路网中一列火车的位置由火车头的位置标志。火车头由段标识符和段上离连点的偏移距离所定位。此外，火车的方向和长度可用于将火车的剩余部分定位。

现参照图7，考虑到火车所在轨道片断的坡度和曲度、火车速度和其它火车参数，可使用诸如火车位置、方向和长度等数据以计算火车阻力。

使用任何网络路径算法，可计算系统中由一站至另一站的路径选择。经常使用熟知的最短路径优先(SPF)算法。该算法在计算路径长度时不必将距离用作性能度量，因此涉及例如坡度的更复杂性能度量通常是有用的。

铁路运输车辆的特性可存放于常规资源数据库800中。这包括每台机车的物理和性能数据，它的类型，重量、长度、截面积，马力大小，轴的数量，以及流线型系数(领头和后随机车两者)。对于每辆车辆，可提供类型，空车重量，长度，截面积，装车重量，轴的数量，以及流线型系数。单列火车也在数据库中定义，具有标识符，火车速度限制，机车类型表和车辆类型表。此资源数据库可用表格形式，复杂数据结构或使用任何市场上现成的数据库加以实现。

所定义的火车对象可根据由仿真管理支持器802提供的对火车行驶的请求通过系统向前行进。所有火车行驶都是根据物理公式，基本火车管理原理和熟知的火车控制规则。由仿真管理支持器提供的每列火车的路径可包括自每个火车行程的出发站至目的站的各片断的顺序表，其中每个片断上都标示火车方向。

火车沿轨道的行驶由用于计算火车加速度的简单物理公式所决定。火车的初始加速度由轨道附着力与机车重量所决定。此外，某些高马力机车的加速度可能受会使火车脱钩的力所限制。

希望火车管理规则允许火车在机车可用牵引力，轨道最大牵引力和分离力作用下以最大加速度加速。这些数值通常都设置为略低于实际值以允许工程师对火车实行保守的管理。一旦达到调度的速度或速度限值(如此值较低)时，火车牵引力即设置为等于火车阻力以保持该速度。

火车刹车用于使火车停下，减少速度至较低速度限值，避免与其它火车干扰或对信号作出响应，并在坡上保持一个安全速度。许多技术可用于模拟火车刹车。对轨道前方搜索限速值的变化，搜索其它火车或信号，即能预计刹车的需要。

三种手段用于控制火车以便让众多火车没有冲突地在网中行驶。这些控制方法是“不控制”，“移动块控制”和“固定块控制”。不控制方法用于在网中驾驶单列火车。火车在网中行驶时不考虑信号系统或其它火车的存在。当为一列在一段轨道上的火车计算无对抗行驶时间数据时，此方法在产生调度表时有用处。

在固定块控制法中，火车每隔一个时间间隔检查铁路信号模型以确定火车是否能见到信号，如能见到，则检查该信号标示该火车应继续行驶、减速还是停下。信号系统中的特定规则决定于被模拟的铁路。由铁路信号模型标志的控制特性超过所有其它速度限制。

移动块控制所依据的是为每列火车建立一条禁止区。火车的禁止区包括火车本身及火车前方沿火车路径的一段轨道长度，该长度等于火车刹车距离加上火车位置的不确定性。刹车距离当然决定于火车速度，坡度，轨道附着系数和火车重量。这要求每列火车能监测其它火车的禁止区以保证任何其它火车的禁止都不进入其禁止区。为避免这类意外，使用刹车管理规则以保证火车以恰当方式减速以避免冲突。

当火车随着时间的增长而前进，对火车相对于特定停车条件的火车位置进行监测。如出现停车条件，时间不再增长并报告结果，该结果包括火车路径的时间历程。

在发生火车间冲突的情况下(例如两条禁止区相接触)，时间不再增长并将结果连同冲突类型、涉及的火车和位置送回至仿真管理支持器802以支持依靠外部过程解决冲突。

可根据常规固定块信号模拟信号系统。在铁路拓扑结构的多层次模型中使用的片断轨道结构涉及并定义信号块。当火车头占据一个与信号块相关连的片断时，块的状态自“不占用”改变为“占用”。当火车尾退出一个块中的全部片断时，该块状态变为“不占用”。块状态与信号的关系由作为标准化集一部分的公司专用铁路的一套规则所定义。有关这些规则的信息可自美国铁路协会的印刷品或其它来源获得。自动块信号(ABS)是众所周知的并可用作一个阐述性实施例。

当火车进入或退出一个信号块时会出现两类响应，即：控制后随火车和控制迎面火车。在后随火车的情况下，假定使用典型的四级信号系统，在所述火车进入块的地点的信号对于后随火车讲成为“停车”。292条规则要求后随火车停车。此信号条件一直继续至所述火车尾离开该块时止。此时信号设为“限速”，对应于285条规则，它要求后随火车以限制速度前进并准备在下一块停止。当所述火车提前离开下一块时，信号变为绿上黄色，这对应于282条规则，它要求火车以限制的中等速度趋近下一个信号。当火车最后离开第三信号块时，信号变为“无障碍”，对应于281条规则，火车可以根据所有可应用的速度限值行驶。

在很多系统中四级信号系统使用两个垂直放置的灯来实现，即：红上红色是停车，红上黄色是限速，绿上黄色是中速，和绿上绿色是无障碍。

也可为迎面火车设置信号。这些信号应根据轨道拓扑结构设置以保证当同一轨道块中有一列迎面火车时该迎面火车不会进入没有岔道的轨道段。一列火车进入一块后设置迎面信号的范围由每个信号块的信号系统规定。

信号状况可应请求送至火车行驶装置并根据由火车行驶所报告的火车位置在每个仿真周期内更新。

仿真管理支持器用来响应于外部的完成仿真的请求将资源数据库，铁路拓扑结构的多层次模型，铁路信号模型和火车行驶计划实行初始化。完成仿真的请求包括仿真时间，调度表，路径，时间，增量，火车和它们的位置和被调度的动作的表。外部提供的调度表包括每列火车的路径和每列火车的调度表。调度表规定火车将经过的路轨片断表及火车离开路径上停车站的时间。

被调度的动作包括“火车行驶至片断×并停止”。提供了手段向图7的火车行驶部分804发出命令以使火车向前行驶直至发生下一事件，并向后报告给发出请求的外部处理器。下一事件可能为一被调度的事件，也可能为一未经调度的事件，如火车冲突。完成后，不论是被调度事件所致还是由未经调度事件所致，仿真历程和所遇停车情况或冲突情况都送回至请求仿真的外部过程。

参照图10，至少本发明系统中驱动每列火车的机车被配置为具有一个火车控制器208。该火车控制器208尽多地接收可应用于它的行驶计划。如下面将描述的，火车控制器208最好包括一个火车驾驶系统，它利用轨道数据模型，火车管理约束条件及实际火车位置和速度数据、风数据和轨道条件数据以便计算出一套火车命令，命令实现后将使火车按行驶计划中提供的轨迹行驶。由火车驾驶系统确定的命令可在机车驾驶室内显示器220上显示出来以供驾驶员执行或适用于通过常规传动器222对火车直接实行半自动控制，即命令可直接控制机车功率设置值和刹车(需要时仍可由驾驶员干预而重置)。

为估算火车沿行驶计划轨迹行进的情况，火车控制器208可配备一个基于卫星的定位器，例如全球定位系统(“GPS”)226，也可自上面讨论过的轨道传感器的一部分接收信号。使用基于卫星的定位系统可不必需要大部分传感器，只需在控制站需用一些，这能显著地减小铁路维护费用。

在本发明系统中，只在控制站例如道岔处需要传感器以便正面地肯定具体火车是在附近众多平行轨道中的哪个轨道上(或一列火车已完全进入一条岔道)。传感器用于这些功能，因为它们在具体轨道的具体位置上都有独特标识而一般地球卫星定位系统的精度只是35英尺左右。由于两条平行轨道的距离可能在此范围之内，因此GPS无法区别火车所占用的特定轨道。只在控制站使用传感器，再结合一个地球卫星定位系统，这可将定位误差限制在系统精度之内(约35英尺)而且不依赖于传感器的靠近安放。

任何其它合适的定位系统可用于本发明，但由于GPS和传感器系统的安装和维护费用低而又能提供足够准确的位置信息，因此它们特别适用。

当火车按照行驶计划沿轨道行驶及发生不可遇见情况时，火车控制器208能自动地确定为安全地实现行驶计划应实际地执行哪一条新火车命令。例如，如发动机不能按照它们的功率设定值产生足够功率，则控制器可发出恰当的显示出来的或如上所述地实现的火车命令从而增加功率。在确定所有设置值时，火车控制器208考虑到一套可应用的安全规则和约束条件，火车管理约束条件及轨道参数。如果不在计划中的干扰影响控制器的能力而使后者无法将火车保持在行驶计划轨迹上时，火车可将一个例外通知送回至行驶计划功能202的调度部分。很多情况下由火车控制器208发送有关异常情况的消息是完全多余的，因为行驶计划功能202的调度部分一直监测系统状态，特别是行驶计划的执行，因此它可能早已考虑到有关系统状态的新信息，即一列火车或更多列火车中出现的异常情况，而试图重新安排行驶计划。

参照图11，参照用于对每列火车提供所需控制的功能可了解火车控制器208。具体地说，在每列火车上的火车控制器208根据以铁路的高逼真度模型为基础的行驶计划控制火车。

自行驶计划器接收火车行驶计划和一个曾用于导出火车行驶计划的初始功率参数(IPP)。为“1”的初始功率参数意味着使用满额马力准备调度表。本发明中IPP通常小于1以使火车在略微落后计划时能赶上一些时间。

行驶计划可包括一条路径(火车将经过的路轨片断的表)和到达路径沿线各控制站的时间和在该站的速度。此外，火车行驶计划或可包含一个区域标志，在该区域内由于预计会出现其它火车而限制速度。

下面将解释，火车行驶计划可包括到达下一个控制站之前的数据(例如火车必须停下以等待另一火车的地点)。如前面提到的，除行驶计划和初始功率参数外，控制器208可接收和／或测量用于标志盛行风和轨道情况、现有位置、现有时间、火车现有速度和刹车管压力的数据。

可能提供一个预测到达时间决定器230以预测火车行驶计划上自火车当前位置至下一个控制站的火车行驶情况。最初将功率参数设为初始功率参数。外部来源提供火车当前状态(轨道上火车当前位置及其速度)和当前时间。火车路径与功率参数和受限制的路轨片断和当前状态一起向前送至物理模型232以完成轨道上火车行驶的仿真。

物理模型232根据火车继续使用相同功率参数的假定送回预计到达时间。物理模型232也送回一个下一个更新时间前的时间间隔内的油门和刹车设置值。油门和刹车设置值与下一个控制站的预计到达时间一起送至工程师的显示装置。另一方案是可使用油门和刹车设置值控制传动器以自动地调整油门。目的站的预测到达时间和速度送至功率参数调整器234。

物理模型232在一段轨道的详细模型上模拟火车行动。物理模型232有能力用复杂性的多层次代表铁路网的拓扑结构。在一个实施例中可使用由结节、段和连点三个基本单元组成的面向对象的铁路拓扑模型。如以前解释的，一个段用于代表单轨或多轨的铁路的一段长度并由各片断的有序集合成组成。一个结节可代表一个复杂对象和包含由结节、段和连点组成的内部结构，及结节可具有任意数量的连点。拓扑结构的每个单元具有一个独特的系统标识符以便用户参照系统标识符来指出位置所在。

在细节的最低层次上，物理模型232用一个结节代表一个铁路网。此结节包含的结构可由一套由段相连的结节所代表。复杂性的此第一层次将一个铁路网模拟为一套用于将代表基本实体的结节相连的轨道段，这些基本实体例如港口、矿区、始发场、岔道、交叉点、分叉、会合点和分支点。对于诸如道岔和枢纽站那样的简单轨道结构，细节的这一层次可代表所需细节的最高层次。对于例如始发场那样的更复杂的轨道结构，可能要增加复杂性的更多层次，直至整个铁路网都已在细节上作出模型。

火车位置由火车头位置所标志。火车头由段标识符和该段上离连点的偏移距离所定位。此外，还可用火车方向和长度对火车其余部分定位。

物理模型232也能根据由预测到达时间决定器230或功率参数调整器234提供的对火车行驶的请求以定义火车对象并通过轨道网向前发送。所有火车行驶以物理公式，火车管理实践和火车控制规则为根据。

物理模塑232中火车沿轨道的行驶由简单物理公式所决定，这些物理公式根据例如Canadian National 1990 Equations那样公认的火车动力学公式计算火车的力然后是加速度。火车的初始加速度由轨道附着力和机车重量所决定。此外，有些高马力机车的加速度还受可能会造成脱钩的力所限制。

在本发明一个实施例中火车管理规则允许火车在功率参数，机车的可用牵引力，轨道的最大牵引力和分离力的条件许可下以最大加速度加速。一旦达到火车或轨道段的速度限值(取两者中较低者)，火车牵引力即设置正好等于火车阻力以保持速度。

火车的所有行动完全遵循环自外部来源接收到的信号，在必要时这些信号使火车减慢或停止。例如，由行驶计划获得的限速轨道片断用于在预料会发生信号作用的区域内减低火车速度。如正采用移动块控制方案，则外部装置可提供就在它前面的火车的位置及按调度表进入火车路径中任何轨道片断的任何其它火车的位置。

物理模型232现实地模拟对信号轨道响应以减低速度至较低速度限值并在坡度上维持安全速度。市场上可买到的或通常的刹车处理算法可用于模拟火车刹车。可由任何外部装置提供刹车管压力。对轨道前方速度限值改变的搜索或根据预先计算的刹车曲线的信号都可用于预测刹车需要。在一个实施例中提供了确定动力刹车，独立刹车和气压刹车的恰当组合的能力。

当火车随时间增长在行进时，相对于特定停车条件(路径终点)的火车位置被监测，及当发生停车条件时时间不再增长而包括火车路径的时间历程及其油门设置值在内的结果被报告给请求装置。

继续参照图11，功率参数调整器234调整功率参数以保证火车“正点”到达控制站。功率参数调整器234将预测的到达时间和速度与检测的时间和速度进行比较并将其偏差值与行驶计划中用户规定允许偏差值进行比较。如预测到达时间与所调度到达时间之差超过允许偏差值，则可调整功率参数以便纠正。为确定恰当的调整值，可完成几个系统仿真。在一个实施例中，至少两个或三个功率参数连同路径和当前状态一起顺序地送至物理模型232。通常使用包括1在内的数值范围用作功率参数以确定火车行驶计划是否不可能实现。如在功率参数为1时火车仍不能满足调度表要求，则火车向调度器报告一个调度例外并提供新的预测到达时间。如果改变功率参数后能满足火车行驶计划要求，则用内插法在仿真用的数值中计算出新功率参数并将它送至预测到达时间决定器230。

所建议的油门设置值，动力刹车设置值，独立刹车设置值和气动刹车设置值可在驾驶室显示器220上显示或向驾驶员显示。

十分清楚，本发明的系统和方法在几个方面是优越的。

通过制作一个详细的行驶计划，可完成火车的更严格的调度并相应地提高了系统的吞吐量。

通过使用物理系统的模型和真实火车驶经物理系统的仿真而不是统计学平均值，可制作一个可由火车实现的行驶计划。当使用自结节A至结节B的火车行驶所需统计学平均时间时，在路径所有站的火车位置上都假定有瞬时加速和减速，并假定一个均匀平均速度。即使在推算统计学平均值时考虑到加速和减速的作用也是如此。显然，这一计划无法由火车实现及火车与这种所计划的位置的偏差无法用于修改火车特性。然而，只要有可由火车实际地实现的详细行驶计划，任何与计划的偏差都可用于控制目的。

进一步的优点是物理模型的多层次抽象可以满足系统不同部分的需求。例如，统计学平均值足以用于生成一个粗糙调度表，其结果是在搜索最优值时大量节省计算机资源，但在开发详细行驶计划时却无法用于最优化操作。

基于规则的和基于约束条件的推理机的结合特别优越。一个基于规则的系统在使对最优调度表的搜索范围缩小时是有效的，并提供约束条件给基于约束条件的系统以继续研制开发。

在约束条件系统中，使用仿真的软处理技术以完成最优性的全局搜索，这可提供一个计算上有效的手段以可靠地得到粗糙解法。此解法允许使用分支和连接技术以实行精细研制开发，因而可能使用现成的计算机资源进行优化操作。

此外，将所有资源使用转换为时间间隔，先从整个行程开始使用搜索技术将这些时间间隔组合为不同尺寸的组，然后在必要时将组划分成愈来愈小的组以消除冲突，这种做法可更快地实现优化。

还有一个显著优点是铁路操作人员可以随意地编写有关业务实践，劳务合同和公司规章的规则。例如，一项公司规章可以是：如果在十分钟内可预计得到特定数量的附加车辆，则火车离开调车场的时间可推迟十分钟。这一规章写成规则后即成为行驶计划的约束条件并在优化行驶计划时被自动地考虑进去。

应注意本系统达到的优化是全局的，即它既包括类似燃料和机务员等的运行费用，又包括类似与交货时间有关的奖金和罚款等的交货费用。

通过将详细行驶计划与系统实际操作结合起来，可使事件发生的时间依赖于系统的操作，而在使用系统资源中的冲突可限制至缩短的时间间隔内。注意到将详细计划与详细操作结合起来的效果是双向的：由于操作能很贴近地进行控制，因此允许调度表能精细地调整，以及反之亦然。由于具有双重特征，本发明可显著地在任何运行系统中减少总吞吐量。

本发明的系统允行从全局优化的角度解决冲突。因此，例如，以前在现有技术中局部地作出有关使用贵重器材的操作决定，现在则着眼于使总运行费用最小而作出决定。在示范性铁路系统中进一步的例子是当两列火车会车时哪一列火车应靠边以让另一列火车通过，这一决定从系统层次效果来考虑。这样可避免作出以下决定：从局部考虑一列火车不靠边以节省十分钟，但结果使下游火车被延误了长得多的时间。

由于物理模型包括火车管理在内，所以对具体火车和轨道采用实际不光滑曲线而不是统计学的最坏情景方案，这防止了通常使用现有强制装置中的不必要强制性安全性停车。真实火车仿真的使用也能减小火车间安全性所需间距，因而显著地改善了系统吞吐量。

虽非本发明所需要，但本发明在铁路系统中的使用能减少或取消对铁路控制系统中许多维护费线的部件的需求。例如，完全地实施本发明后，一条铁路能消除或显著地减少昂贵的轨道信号和模拟平面系统。可以消除或减少许多铁路系统的局部部件，民括操作这些局部部件的人员。

虽然描述了本发明的最佳实施例，应该理解所描述的实施例只是阐述性的以及本发明的范围及相应的全部等效范围只由所附权利要求书中所规定，许多变化和修改自然地出现于阅读权利要求书的熟悉技术的人们面前。十分明显，本发明的系统和方法在若干方面是优越的。

Claims (20)

1．一种在铁路系统中产生资源行驶计划的方法，其中该计划得以优化以降低成本，并且资源包括任何可调度的实体，所述方法的特征在于包括以下步骤：

(a)建立一个由用户规定的铁路运行规则的数据库；

(b)根据用户规定的铁路运行规则数据库，在一个基于计算机的并且基于规则的推理机中建立一套与列车行驶有关的调度约束条件；以及

(c)在基于计算机的并且基于约束条件的推理机中推导最优行驶计划，其中基于约束条件的推理机利用了该套调度约束条件。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于还包括以下步骤：

(d)向位于列车上的控制器传送该行驶计划，其中控制器确定与该计划相关的列车油门和制动器设置值；

(e)根据所述设置值对列车进行控制。

3．根据权利要求2的方法，其特征在于在确定油门和制动器设置值期间，控制器至少考虑以下两点中的一点：列车管理约束条件和轨道约束条件。

4．根据权利要求2的方法，其特征在于可以有选择地对基于列车的控制器进行优先控制。

5．根据权利要求2的方法，其特征在于行驶计划是参考以下几个轨道参数中的至少一个产生的：

列车的刹车距离；以及

列车在轨道上的位置的不确定性，使得在列车停止于轨道上的安全位置时行驶计划终止。

6．根据权利要求2的方法，其特征在于在列车达到行驶计划结束之前重复向控制器传送行驶计划的步骤，以允许产生新的行驶计划。

7．根据权利要求2的方法，其特征在于推导最优行驶计划的步骤包括步骤：考虑终端设备约束条件和道路维护约束条件中的至少一个，并且将调度优先级赋予所调度的旅客列车运输。

8．根据前述任一权利要求的方法，其特征在于当确定不能调度所有列车行驶时停止对列车行驶进行调度。

9．一种为多部列车通过多路径铁路行驶制定计划的系统，其特征在于该系统包括：

(a)用于使用一个基于规则的推理机和一个基于约束条件的推理机的组合推导一个列车行驶调度表的装置，其中向所述基于约束条件的推理机提供由所述基于规则的推理机产生的约束条件，作为排序约束条件；

(b)用于将调度表和与列车相关的成本数据提供给一个基于计算机的处理机的装置，所述处理机用于模拟铁路运行并调整调度表，以消除冲突并优化调度性能，产生一个行驶计划；

(c)用于将行驶计划传送给某部列车的装置；

(d)一台位于该列车上的计算机，用于确定与行驶计划相关的油门和制动器设置值；

(e)操作上与所述计算机连接的并且用于根据所述设置值对该列车进行控制的装置。

10．根据权利要求9的系统，其特征在于所述计算机包括用于考虑列车管理约束条件与轨道参数中至少一种的装置。

11．根据权利要求9的系统，其特征在于还包括用于通过远离于所述列车的控制器有选择地对所述用于控制的装置进行优先控制的装置。

12．根据权利要求9的系统，其特征在于所述用于推导的装置包括用于考虑以下几个轨道参数中的至少一个的装置：

列车的刹车距离；以及

列车在轨道上的位置的不确定性，使得在列车停止于轨道上的安全位置时所述行驶计划终止。

13．根据权利要求9至12中任一项的系统，其特征在于所述用于推导的装置包括用于考虑终端设备约束条件和道路维护约束条件中的至少一个并且将调度优先级赋予所调度的旅客列车运输的装置。

14．一种在铁路系统中对一段时间内使用资源相关的命令进行调度的方法，其中资源包括任何可调度的实体，所述方法的特征在于包括以下步骤：

(a)在基于计算机的计划决定器内，对每个命令限定所需的调度，该计划决定器采用一套规则，这套规则包括标准操作规程、非固有运输和公司策略；

(b)在基于计算机的活动排序器中产生为满足每个命令所需的活动序列；

(c)在一个资源决定器中对每个活动产生一个替补资源清单，其中每个替补资源有能力进行清单中的活动；

(d)计算完成每个活动所需的时间间隔，其中对于与列车行驶有关的活动，采用了一个列车性能计算器；

(e)在基于计算机的时间间隔转换器中，将活动序列转换为时间间隔序列；

(f)在基于计算机的间隔组合器中，将时间间隔分组为逻辑序列；

(g)在基于计算机的资源调度器中建立一个调度表，其中该调度表通过将时间间隔组与替补资源结合起来满足资源可用性约束条件和间隔约束条件；以及

(h)在资源调度器中对调度表进行优化，使铁路运行系统的运行成本最小。

15．根据权利要求14的方法，其特征在于建立调度表的步骤包括一个模拟退火处理。

16．根据权利要求14的方法，其特征在于还包括步骤：作为运输成本的函数在约束条件内调节时间间隔的分组并且如果成功则报告该调度表。

17．根据权利要求14的方法，其特征在于还包括步骤：如果调度不成功，则报告调度表并标出冲突。

18．根据权利要求14的方法，其特征在于还包括以下步骤：

作为时间的函数，提供与每种资源相关的运行成本有关的数据；以及

将可用资源分配给各活动，使资源的操作成本最小。

19．根据权利要求14的方法，其特征在于将活动转换为时间间隔的步骤包括对列车行动效果进行考虑。

20．根据权利要求14的方法，其特征在于在对时间间隔进行分组的步骤中，符合以下条件中的至少一个：

(a)允许时间间隔覆盖预定量；

(b)在试图调度中将时间间隔作为固定块；或者

(c)在试图调度中将时间间隔作为移动块。

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